(57)【要約】【課題】安定した発電を可能とすることによって発電効率を向上させると共に、システム全体のコンパクト化を図ることのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】液体炭化水素系燃料を噴霧する第一インジェクタ６と、水を噴霧する第二インジェクタ１１とを備える。各液体を霧状化することによって伝熱面積を大きくして各液体を気化し易くする。更に、各液体を気化し易くすることで熱量不足となることを抑制し、気化した燃料及び水の圧力が不安定になることを抑制する。これによって、燃料電池スタック１３での発電を安定させる。更に、気化器７側での熱量を減少させ、改質装置１２にバーナを設けることなく燃料電池スタック１３のオフガスＧによる熱Ｈのみで改質を可能とし、装置の小型化を図る。また、燃料電池スタック１３においてオフガスＧの量を減らして発電量を増加させ、発電効率を更に向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体炭化水素系燃料を送液する第一送液手段と、
水を送液する第二送液手段と、
前記液体炭化水素系燃料及び前記水を気化する気化器と、
前記気化器内で気化された前記液体炭化水素系燃料及び水蒸気を用いて改質ガスを生成する改質装置と、
前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、
前記第一送液手段で送液された前記液体炭化水素系燃料を前記気化器内に噴霧する第一噴霧手段と、
前記第二送液手段で送液された前記水を前記気化器内に噴霧する第二噴霧手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第一噴霧手段及び前記第二噴霧手段は、インジェクタで構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、例えば、特開２００９−４３６６９号公報に記載されたものが知られている。この燃料電池システムは、改質器に供給するための改質用水を気化するための水気化器と、燃料を気化する燃料気化器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックとを備えている。この燃料電池システムでは、水気化器を熱することで改質用水を気化すると共に水蒸気を改質器に供給し、燃料気化器を熱することで燃料を気化すると共に改質器に供給する構成とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−４３６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述のような燃料電池システムにあっては、気化器で水や燃料を気化するための熱や改質器で改質を行うための熱が燃料電池スタックのオフガスや燃料電池スタック自体を熱源として供給されるが、燃料及び水の温度を上げるための熱量のみならず蒸発潜熱分の熱量が必要とされるため、気化器の容積を大きくすることによって伝熱面積を増加させる必要が生じる。このように、伝熱面積を大きくすべく気化器の容積を大きくした場合は、燃料電池システムの小型化を図る場合に問題が生じる。更に、燃料電池システムでは、通常運転時、すなわち一定出力時には気化に要する熱量を燃料電池スタックからのオフガスでまかなうことが可能であるが、負荷変動や外乱などによって熱量が不足した場合に気化した燃料及び水が一度凝縮すると、蒸発と凝縮の繰り返しが発生する可能性があり、気化器と気化器周辺の熱バランスが崩れ、気化した燃料及び水の圧力が不安定になる可能性がある。このような場合は、改質ガスの圧力が不安定になると共に、燃料電池スタックの発電も不安定になり、更に、オフガスの供給も不安定になり一層熱バランスが崩れてしまう可能性がある。従って、どのような運転状態であっても発電の安定性を一層向上させることが求められていた。特に、システムの小型化を図るべく、改質装置のバーナを排除して燃料電池スタックからのオフガスのみを熱源とした場合は不安定となる可能性が高くなるので、一層発電の安定性が要求される。
【０００５】
そこで、本発明は、安定した発電を可能とすることによって発電効率を向上させると共に、システム全体のコンパクト化を図ることのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、液体炭化水素系燃料を送液する第一送液手段と、水を送液する第二送液手段と、液体炭化水素系燃料及び水を気化する気化器と、気化器内で気化された燃料蒸気及び水蒸気を用いて改質ガスを生成する改質装置と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、第一送液手段で送液された液体炭化水素系燃料を気化器内に噴霧する第一噴霧手段と、第二送液手段で送液された水を気化器内に噴霧する第二噴霧手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この燃料電子システムでは、第一送液手段で送液された液体炭化水素系燃料を気化器内に噴霧する第一噴霧手段と、第二送液手段で送液された水を気化器内に噴霧する第二噴霧手段とを備えている。従って、各液体が霧状化されることによって伝熱面積が大きくなり、これによって、気化器自体を大きくすることなしに、液体炭化水素系燃料及び水を気化し易くすることが可能となる。更に、各液体を気化し易くしておくことによって、負荷変動や外乱があったとしても熱量不足となることを抑制し、気化した燃料及び水の圧力、すなわち改質ガスの圧力が不安定になることを抑制することができる。これによって、燃料電池スタックでの発電を安定させることによって発電効率を向上させることができる。更に、各液体の伝熱面積を大きくして気化し易くすることで気化器側での熱量を減少させることが可能となり、これによって、改質装置にバーナを設けることなく燃料電池スタックのオフガスによる熱のみで改質を可能とすることができる。従って、バーナを排除して装置の小型化を図ることが可能となる。また、気化器で必要とされる熱量を減少させることで、燃料電池スタックにおいてオフガスの量を減らして発電量を増加させることが可能となるため、発電効率を更に向上させることができる。以上によって、安定した発電を可能とすることによって発電効率を向上させると共に、システム全体のコンパクト化を図ることができる。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、第一噴霧手段及び第二噴霧手段は、インジェクタで構成されていることが好ましい。これによって、噴霧量の細かい流量制御を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、安定した発電を可能とすることによって発電効率を向上させると共に、システム全体のコンパクト化を図ることのできる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
まず、本発明の実施形態の燃料電池システム１の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示すブロック構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、液体炭化水素系燃料を貯留する燃料タンク２と、燃料タンク２に貯留された液体炭化水素系燃料から硫黄分を除去する脱硫装置３と、脱硫された液体炭化水素系燃料を送液する第一ポンプ（第一送液手段）４と、第一ポンプ４で送液された液体炭化水素系燃料を霧状に噴霧する第一インジェクタ（第一噴霧手段）６と、液体炭化水素系燃料及び水を気化する気化器７と、水を貯留する水タンク８と、水タンク８に貯留された水を送液する第二ポンプ（第二送液手段）９と、第二ポンプ９で送液された水を霧状に噴霧する第二インジェクタ（第二噴霧手段）１１と、気化器７で気化された液体炭化水素系燃料及び水を用いて改質ガスを生成する改質装置１２と、改質装置１２で生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池スタック１３とを備えて構成されている。燃料電池システム１は、例えば、家庭用の電力供給源として利用されるものであり、容易に入手することができ且つ独立して貯蔵することができるという観点から、液体炭化水素系燃料として例えば灯油が用いられている。
【００１３】
この燃料電池システム１は、第一インジェクタ６と、第二インジェクタ１１と、気化器７と、改質装置１２と、燃料電池スタック１３とが、金属製の板によって構成される一つの筺体１５内に収容される内部間接改質型の燃料電池システムとして構成されている。
【００１４】
脱硫装置３は、燃料タンク２から供給された液体炭化水素系燃料から硫黄分を除去する脱硫器及び脱硫器を加熱する加熱機構とを備えて構成されている。原燃料となる液体炭化水素系燃料は、約８０ppm以下の硫黄や硫黄化合物等の硫黄分を含んでいる。脱硫装置３の脱硫器は、原燃料から硫黄分を除去して、硫黄濃度を約５０ｐｐｂ以下とした液体燃料を生成する。脱硫された液体炭化水素系燃料は第一ポンプ４によって第一インジェクタ６を介して気化器７へ送液される。なお、図面においては第一ポンプ４が脱硫装置３の下流側に設けられているが、脱硫装置３の上流側に設けられていてもよい。
【００１５】
第一インジェクタ６は、脱硫装置３で脱硫された液体炭化水素系燃料を霧Ｍ１として気化器７内へ噴霧する機能を有しており、第二インジェクタ１１は、水を霧Ｍ２として気化器７内へ噴霧する機能を有している。第一及び第二インジェクタ６，１１は、連続噴霧型でも非連続噴霧型のいずれであってもよい。噴霧手段としてインジェクタを用いることによって、噴霧量の細かい流量制御を行うことが可能となる。なお、当該部品は、液体炭化水素系燃料、水を霧状に噴霧できるものであればインジェクタに限定されず、例えば、キャブレターなども適用することができる。
【００１６】
気化器７は、ステンレスなどから構成される貯留槽であり、第一インジェクタ６で噴霧された液体炭化水素系燃料及び第二インジェクタ１１で噴霧された水を内部で蒸発させる機能を有している。この気化器７は、内部の容積が０．０５〜０．１リットル程度に設定されている。この気化器７は、燃料電池スタック１３からのオフガスを熱源として気化を行う機能を有しており、また、気化された液体炭化水素系燃料の蒸気と水蒸気を改質装置１２へ供給する機能を有している。
【００１７】
改質装置１２は、蒸気化された液体炭化水素系燃料を水蒸気改質することによって水素リッチな改質ガスを生成する改質器を備えて構成されている。本実施形態に係る燃料電池システム１の改質装置１２においては、装置の小型化を図るためにバーナが設けられておらず、燃料電池スタック１３からのオフガスを熱源として改質を行う。このようにして、水蒸気改質反応を促進する改質触媒を加熱することで、触媒反応を効果的に発揮させるために必要な熱を改質触媒に供給する。改質器では、脱硫装置３によって脱硫された液体燃料が気化して原料ガスとなり、改質触媒によって、燃料ガスと水蒸気（水）との水蒸気改質反応が促進されて、水素リッチな改質ガスが生成される。
【００１８】
燃料電池スタック１３は、改質装置１２で生成された改質ガスと空気を用いて発電を行うものであり、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）燃料電池スタックや固体高分子形（ＰＥＦＣ）燃料電池スタックが適用されている。燃料電池スタック１３は、複数の電池セルが積み重ねられて構成されており、各電池セルは、アノードと、カソードと、このアノードとカソードとの間に配置された電解質（ＳＯＦＣの場合はイオン伝導性セラミックであり、ＰＥＦＣの場合は高分子のイオン交換膜である）と、を有している。各電池セルにおいては、アノードに改質ガスが導入されると共にカソードに空気が導入されて、電気化学的な発電反応が行われる。
【００１９】
また、燃料電池スタック１３からはオフガスＧが排出される。このオフガスは、筺体１５内における気化器７及び改質装置１２と燃料電池スタック１３との間に形成された空間である燃焼領域１４に供給される。燃料電池スタック１３からは、ＳＯＦＣの場合はオフガスとしては水素及び一酸化炭素が主に含有され、ＰＥＦＣの場合は水素が主に含有される。燃焼領域１４では、このオフガスと酸素が混ざり合って燃焼し、これによって、気化器７及び改質装置１２に熱Ｈが提供される。この熱Ｈの熱量は、気化器７及び改質装置１２で必要とされる熱量に応じてオフガスＧの量を調節することで増減させることができるが、オフガスＧを増加させた場合は燃料電池スタック１３の発電量が減少し、オフガスＧを減少させた場合は発電量が増加する。
【００２０】
このように構成された燃料電池システム１では、まず、燃料タンク２から供給された液体炭化水素系燃料が脱硫装置３で脱硫され、第一ポンプ４で送液されるとともに第一インジェクタ６で気化器７内に噴霧される。また、水タンク８から供給された水が第二ポンプ９で送液されるとともに第二インジェクタ１１で気化器７内に噴霧される。液体炭化水素系燃料の霧Ｍ１と水の霧Ｍ２とは、気化器７内で混合されると共に、気化器７が燃料電池スタック１３のオフガスＧによる熱Ｈによって加熱されることによって気化器７内で蒸気となる。蒸発した液体炭化水素系燃料及び水蒸気は改質装置１２に供給され、改質装置１２が燃料電池スタック１３のオフガスＧによる熱Ｈによって加熱されることによって液体炭化水素系燃料が改質装置１２内で水蒸気改質されることによって、改質ガスが生成される。この改質ガスが燃料電池スタック１３に供給されることによって、燃料電池スタック１３内で発電がなされる。
【００２１】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の作用・効果を説明する。
【００２２】
まず、気化器７の上流側にインジェクタを備えることなく、ポンプから供給される液体炭化水素系燃料及び水を気化器７内に滴下して供給する従来の燃料電子システムでは、燃料及び水の温度を上昇させる熱量のみならず蒸発潜熱分の熱量が必要とされるため、気化器７の容積を大きくすることによって伝熱面積を増加させる必要が生じ、気化器の容積を大きくすることによって燃料電池システムが大きくなってしまうという問題がある。特に、水の蒸発潜熱が大きいため、気化器をさらに大きくしなくてはならなかった。また、従来の燃料電池システムでは、通常運転時、すなわち一定出力時には気化に要する熱量を燃料電池スタック１３からのオフガスＧによる熱Ｈでまかなうことが可能であるが、負荷変動や外乱などによって熱量が不足することにより気化した燃料及び水が一度凝縮すると、蒸発と凝縮の繰り返しが発生する可能性があり、気化器７と気化器７周辺の熱バランスが崩れ、気化した燃料及び水の圧力が不安定になる可能性がある。このような場合は、改質ガスの圧力が不安定になると共に、燃料電池スタック１３の発電も不安定になり、更に、オフガスＧの供給も不安定になり一層熱バランスが崩れてしまう可能性がある。特に、改質装置１２のバーナを排除して燃料電池スタック１３からのオフガスＧのみを熱源とした場合は不安定となる可能性が高くなる。
【００２３】
一方、本実施形態に係る燃料電池システム１は、第一ポンプ４で送液された液体炭化水素系燃料を気化器７内に噴霧する第一インジェクタ６と、第二ポンプ９で送液された水を気化器７内に噴霧する第二インジェクタ１１とを備えている。従って、各液体が霧状化されることによって伝熱面積が大きくなり、これによって、気化器７自体を大きくすることなしに、液体炭化水素系燃料及び水を気化し易くすることが可能となる。更に、各液体を気化し易くしておくことによって、負荷変動や外乱があったとしても熱量不足となることを抑制し、気化した燃料及び水の圧力、すなわち改質ガスの圧力が不安定になることを抑制することができる。これによって、燃料電池スタック１３での発電を安定させることによって発電効率を向上させることができる。更に、各液体の伝熱面積を大きくして気化し易くすることで気化器７側での熱量を減少させることが可能となり、これによって、改質装置１２にバーナを設けることなく燃料電池スタック１３のオフガスＧによる熱Ｈのみで改質を可能とすることができる。従って、バーナを排除して装置の小型化を図ることが可能となる。また、気化器７で必要とされる熱量を減少させることで、燃料電池スタック１３においてオフガスＧの量を減らして発電量を増加させることが可能となるため、発電効率を更に向上させることができる。以上によって、安定した発電を可能とすることによって発電効率を向上させると共に、システム全体のコンパクト化を図ることができる。
【００２４】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００２５】
例えば、上述の実施形態では、液体炭化水素系燃料に対して一つの第一ポンプ４及び一つの第一インジェクタ６が設けられると共に、水に対して一つの第二ポンプ９及び一つの第二インジェクタ１１が設けられており、気化器７の中で液体炭化水素系燃料と水との混合がなされていたが、液体炭化水素系燃料及び水に対して一つのインジェクタのみを設けてもよく、更に、一つのポンプ及びインジェクタのみを設けてもよい。
【００２６】
具体的には、第一ポンプ４から供給される液体炭化水素系燃料と第二ポンプ９から供給される水とを予め混合させた後に一つのインジェクタ（第一噴霧手段、第二噴霧手段）で気化器７内へ噴霧する構成としてもよい。あるいは、燃料タンク２から供給されて脱硫された液体炭化水素系燃料と水タンクから供給される水とを予め混合させて一つのポンプ（第一送液手段、第二送液手段）で送液し、一つのインジェクタ（第一噴霧手段、第二噴霧手段）で気化器７内へ噴霧する構成としてもよい。
【００２７】
また、本実施形態では、液体炭化水素系燃料及び水の送液手段としてポンプが用いられていたが、これに代えて高い位置に燃料タンク２及び水タンク８を配置することで、重力によって送液する配管構成を送液手段として適用してもよい。
【００２８】
なお、本実施形態では改質装置１２にバーナを設けない構成としたが、予備のバーナを設ける構成としてもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１…燃料電池システム、４…第一ポンプ（第一送液手段）、６…第一インジェクタ（第一噴霧手段）、７…気化器、９…第二ポンプ（第二送液手段）、１１…第二インジェクタ（第二噴霧手段）、１２…改質装置、１３…燃料電池スタック。
【図１】
2010219002.tif 000003